寧波材料所在電磁屏蔽材料設計與製備方面取得進展

2020-11-25 中國科學院

　　隨著現代電子工業的快速發展，各種高集成和高功率無線通信系統和電子器件數量急劇增加，導致電磁幹擾和電磁汙染問題日益突出，不僅在通信領域中對信號的產生、傳播和接收造成了極大的影響，而且給人類社會的生產與生活，尤其是人類身體健康帶來了不容忽視的危害。聯合國人類環境會議早在1969年就將電磁輻射列為繼水、大氣、噪聲汙染之後的第四大公害。電磁屏蔽材料是一類能夠通過吸收和反射等方式來衰減電磁波能量傳播以有效抑制電磁幹擾和汙染的功能材料。中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子事業部研究員鄭文革和副研究員沈斌一直致力於高效電磁屏蔽材料的開發，前期已經在電磁屏蔽材料的製備以及性能研究方面取得一系列進展。近期，該團隊又從「變廢為寶」和可持續發展的角度出發，利用生物質廢棄物或生活廢棄物來設計和製備了輕質高效電磁屏蔽材料。

　　每年夏收和秋冬之際，總有大量的小麥、玉米等秸稈在田間焚燒，產生了大量濃重的煙霧，不僅成為農村環境保護的瓶頸問題，甚至成為殃及城市環境的罪魁禍首。我國作為農業大國，每年可生成數億噸秸稈，成為「用處不大」但必須處理掉的「廢棄物」。農作物秸稈屬於農業生態系統中一種十分寶貴的生物質能資源。農作物秸稈資源的綜合利用對於促進農民增收、環境保護、資源節約以及農業經濟可持續發展意義重大。在該研究中，科研人員選用小麥秸稈作為碳源，通過直接碳化和有序組裝的方式設計和製備了新穎的中空多孔碳管陣列（SCAs）用於高效電磁屏蔽（如圖1）。結果表明，外直徑為約1.7-3.3m、表觀密度僅為約72-33mg/cm3的SCAs展現出優異的電磁屏蔽效能（約57.7-44dB），這主要依賴於材料對電磁波的強反射損耗、介電損耗以及在內部多層次泡孔結構中的多重反射損耗。進一步地，科研人員將氧化石墨烯氣凝膠構築在中空秸稈的空腔內，製備了具有石墨烯氣凝膠的多孔碳管陣列（GA/SCAs）複合材料。與純SCAs相比，GA/SCAs的密度僅略微增加到約78-39mg/cm3，而電磁屏蔽效能則增加至約66.1-70.6dB。相關結果已發表於國際期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 9663-9670。

　　瓦楞紙板是目前最為常見的包裝材料，我國快遞行業發展迅猛，包裝材料用量巨大，2016年我國快遞行業消耗的包裝箱總量約86億個，但是我國快遞包裝材料的總體回收率不到20%，只有發達國家一半左右，快遞包裝成了不小的汙染源。在日常生活中，每個人將紙板直接扔進垃圾箱是很平常的事情，如何循環利用廢棄瓦楞紙板值得深入思考。在該研究中，鑑於瓦楞紙板具有特殊的結構（鋸齒形摺疊結構夾於兩個平行平面之間），科研人員通過直接碳化和環氧塗層增強的方式設計和製備了高性能碳化瓦楞紙板（CCB）作為輕質結構電磁屏蔽材料（如圖2），密度僅為約0.07-0.17g/cm3的CCB樣品具有優異的電磁屏蔽效能（約46.0-82.0dB）和比屏蔽效能（約325-1171dB/(g/cm3)），而屏蔽性能跟CCB碳化溫度或結構類型密切相關。進一步地，科研人員在CCB表面上進一步構建了超薄石墨烯皮層，以達到降低碳化溫度並保持電磁屏蔽性能的效果，為節能提供了一種有效而簡便的方法。相關結果已發表於國際期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 18718-18725。

　　上述SCA或CCB電磁屏蔽材料與以前報導的其他碳泡沫材料相比表現出更加優異的屏蔽性能，說明這些結構對輕質和高性能屏蔽材料的製備具有很重要的參考意義。該工作得到國家自然科學基金（51603218、51573202）、寧波市2025重大科技專項（2018B10054）和寧波市自然科學基金（2018A610004）的大力資助。

圖1 中空多孔碳管陣列（SCAs）用於高效電磁屏蔽

圖2 高性能碳化瓦楞紙板（CCB）用於高效電磁屏蔽

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